Einfluss von aufgelösten subgridskaligen Prozessen : Implementierung und Analyse einer Superparametrisierung im Klimamodell EMAC
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Parametrisierungen beschreiben den statistischen Effekt von kleinskaligen Prozessen wie zum Beispiel der Wolkenmikrophysik oder der Konvektion, welche üblicherweise durch grobmaschige Atmosphärenmodelle (GCMs) nicht aufgelöst werden können. Obwohl die Entwicklung in der Klimamodellierung einerseits zu immer höheren Auflösungen strebt, werden andererseits mehr Systeme (Atmosphäre, Ozean, Biosphäre, Chemie, etc.) miteinander vernetzt und komplexer gestaltet. Dies führt dazu, dass auch in den nächsten Jahrzehnten Erdsystemmodelle weiterhin grobe Maschenweiten verwenden und (Konvektions-) Parametrisierungen zur Beschreibung der subgridskaligen Prozesse gebraucht werden. Der Ansatz der Superparametrisierung (SP) ermöglicht die Erfassung der kleinskaligen Atmosphärendynamik durch ein Ensemble an wolkenauflösenden Modellen (CRMs) in jeder GCM-Gitterbox und dient als Ersatz für die Konvektionsparametrisierung und der Beschreibung der Wolkenbedeckung innerhalb von Klimamodellen. Diese Arbeit legt die Sensitivität unterschiedlicher Konfigurationen (Orientierung, Zellengröße und Zellenanzahl) der neu implementierten Superparametrisierung im Modellsystem EMAC dar und beschreibt den Einfluss der subgridskaligen Effekte auf das simulierte Klima. Darüber hinaus werden weitere Prozesse (Strahlung, Transport) auf das CRM-Gitter übertragen, um zukünftig zusätzliche Optionen für das neue Modellsystem SP-EMAC zu schaffen.
Die Berücksichtigung von subgridskaligen Prozessen mit SP-EMAC verbessert die Wechselwirkung zwischen Wolken und Strahlung durch eine Verringerung der globalen Wolkenvariabilität im Gegensatz zur konventionell verwendeten Konvektionsparametrisierung. Weiterhin wird die Cirrusbewölkung in SP-EMAC reduziert, welches sich im langwelligen Strahlungshaushalt widerspiegelt. Im Zusammenhang mit der Entwicklung von Niederschlagsereignissen wird die Verteilung der tropischen Regenmengen realistischer wiedergegeben und der tägliche Niederschlagsverlauf in diesen Regionen optimiert. Diese Verbesserungen stehen im Zusammenhang mit einer geänderten Aufteilung von Wolkenwasser und Wolkeneis innerhalb der Superparametrisierung. Die Berücksichtigung wolkenoptischer und strahlungsrelevanter Prozesse auf dem CRM-Gitter resultiert in einer Erhöhung der Transparenz der Wolken, was in besserer Übereinstimmung mit Beobachtungen steht. Bezüglich der CRM-Konfiguration zeigt sich, dass klimarelevante Größen sensitiver auf eine Veränderung der CRM-Zellengröße als durch eine Modifikation der CRM-Orientierung oder Zellenanzahl reagieren. Abgesehen von der zutreffenderen Prozessbeschreibung auf der Subgrid-Skala belegen Transportsimulationen von kurzlebigen Spurengasen, dass konvektive Transportwege mit Hilfe der Superparametrisierung stark verändert dargestellt werden. Im Zuge dessen zeigen Unterschiede in den Spurengaskonzentrationen, dass die Beschreibung von vertikalen Transportwegen mittels parametrisierter
Massenflüsse stark abweichend von einer expliziten Transportroutine unter Verwendung aufgelöster CRM-Vertikalwinde agiert.
Die Implementierung der Superparametrisierung in das modulare System von EMAC bringt viele Entwicklungsmöglichkeiten mit sich, um weitere atmosphärische Prozesse für Klimastudien verbessert darzustellen.